Nghiên cứu thiết kế hệ thống cầu nâng lật xe chở sắn củ với tải trọng nâng 60-80 tấn

BÀI BÁO KHOA HỌC

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẦU NÂNG LẬT XE
CHỞ SẮN CỦ VỚI TẢI TRỌNG NÂNG 60-80 TẤN
Nguyễn Đình Tùng1
Tóm tắt: Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu thiết kế hệ thống cầu nâng-lật xe chở sắn củ điều khiển, truyền
động thủy lực ứng dụng trong nhà máy chế biến sắn quy mô công nghiệp năng suất 450-500 tấn củ/ngày. Kết quả
thiết kế/kiểm tra về độ bền kết cấu của cầu nâng trên mô hình số tại các góc nâng khác nhau 300, 400, 450
cho thấy: i). với góc nâng 300 giá trị cực đại tổng chuyển vị của kết cấu cầu nâng chỉ là 2,8008e-3m, giá trị
biến dạng đàn hồi cực đại đạt 1,0655e-3 m/m và giá trị ứng suất cực đại đạt 1,3289e8 Pa; ii). với góc nâng
400 giá trị cực đại tổng chuyển vị là 3,4714e-3m; giá trị biến dạng đàn hồi cực đại đạt 1,1133e-3 m/m và giá
trị ứng suất cực đại đạt 1,3849e8 Pa; iii). ở vị trí làm việc 450 giá trị cực đại tổng chuyển vị của kết cấu cầu
nâng là 4,9027e-3m; giá trị biến dạng đàn hồi cực đại đạt 1,86519e-3 m/m; và giá trị ứng suất cực đại đạt
2,3262e8 Pa. Các giá trị trên đều nhỏ hơn nhiều so với giá trị giới hạn cho phép của vật liệu.
Từ khóa: Mô hình số, cầu nâng lật xe, truyền động thủy lực, sắn củ
1. ĐẶT VẤN ĐỀ*
Hiện tại ngành công nghiệp sản xuất/chế biến
sắn nói chung, tinh bột nói riêng tại các nhà máy
chế biến vẫn chưa thực sự ứng dụng công nghệ vào
sản xuất đồng bộ ở tất cả các công đoạn, mà phần
lớn mới chỉ đầu tư công nghệ, thiết bị ở các công
đoạn chính. Riêng công đoạn đầu nạp, cấp liệu hầu
hết vẫn thực hiện thủ công, dùng nhiều đến sức
người trong sản xuất để tháo nguyên liệu (cào
nguyên liệu) sắn củ trên xe xuống bãi tập kết của
các cơ sở chế biến sắn. Như vậy lượng người lao
động rất lớn, có thời điểm lên đến hàng trăm người
cào, tháo dỡ sắn tại một cơ sở chế biến. Nếu vẫn sử
dụng nhân công lao động thủ công như vậy ở công
đoạn nhập liệu để áp dụng vào dây chuyền chế biến
quy mô công nghiệp sẽ không đáp ứng và đạt được

yêu cầu sản xuất kể cả về năng suất, chất lượng và
đặc biệt là an toàn lao động trong sản xuất. Hơn
nữa củ sắn còn có hình dạng khác nhau, to, nhỏ,
cong, thẳng, dài, ngắn, bởi vậy để tháo, cào liệu
liên tục bằng sức người sẽ cực kỳ khó khăn, vất
vả.... Như vậy vẫn là phương thức sản xuất nhỏ lẻ
chất lượng thấp, cơ hội để cạnh tranh xuất khẩu so
với các mặt hàng tương tự của các nước trong khu
1

Viện nghiên cứu Thiết kế chế tạo máy Nông nghiệp,
Bộ Công Thương

vực, nhất là hai nước có sản lượng sắn lớn như
Thái Lan và Indonesia sẽ khó khăn. Để cho các sản
phẩm từ sắn của Việt Nam muốn “giữ” được chỗ
đứng trên thị trường xuất khẩu các doanh nghiệp
Việt Nam buộc phải đầu tư công nghệ, thiết bị vào
trong sản xuất, nhất là sản xuất quy mô lớn. Có
như vậy mới có khả năng đáp ứng được về sản
lượng và chất lượng của sản phẩm. Cho nên công
đoạn tháo, dỡ nguyên liệu sắn củ trên xe xuống
bãi tập kết cần phải giải quyết bằng hệ thống máy
móc thiết bị, ở đây chính là hệ thống thiết bị nâng,
lật xe truyền động và điều khiển thủy lực (Ng.
Đình Tùng và cs, 2018).
2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Bài báo sử dụng phương pháp nghiên cứu lý
thuyết dựa trên phương pháp tính toán, thiết kế và
mô phỏng nhờ các phần mềm máy tính chuyên dụng

Inventer, Autocad, …
3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ BÀN LUẬN
3.1. Kết quả lựa chọn nguyên lý kết cấu
Trên cơ sở lý thuyết đã xây dựng, đưa ra được sơ
đồ nguyên lý, kết cấu hệ thống thiết bị nâng, lật xe
chở sắn có truyền động và điều khiển thủy lực đồng
bộ đáp ứng được yêu cầu đòi hỏi của các doanh
nghiệp chế biến sắn quy mô công nghiệp về việc
tháo, dỡ sắn củ khi tập kết vào sân chuẩn bị phục vụ
cho sản xuất được trình bày như trên Hình 1.

KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (10/2019) - HỘI NGHỊ KHCN LẦN THỨ XII - CLB CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC

153


Hình 1. Xây dựng sơ đồ nguyên lý kết cấu,mạch truyền động và điều khiển thủy lực của hệ thống
cầu nâng-lật xe chở sắn củ quy mô 450-500 tấn củ/ngày (Nguyễn Đình Tùng, 2018)
1- Xy lanh thủy lực; 2- Thanh liên kết; 3- Cơ cấu nâng; 4- Cầu nâng lật xe; 5- Xe ô tô chở sắn.
Với sơ đồ nguyên lý này cho thấy khi xe chở sắn
củ tươi đến nhà máy chế biến sẽ được di chuyển lên
cầu nâng-lật, sau khi được “thắt dây an toàn” sàn đỡ
xe tải được nâng nghiêng lên dần từ góc ban đầu
“00” đến một góc nghiêng tới hạn (cực đại) nhờ cơ
cấu nâng truyền động thủy lực. Góc nghiêng cực đại
và vận tốc nâng sàn được lựa chọn sao cho thỏa mãn
điều kiện chảy tụt của vật liệu sắn củ và gia tốc cuối
hành trình nâng giảm dần đến 0, đảm bảo điều kiện

không lật dọc khi xe tải trút đổ sắn nguyên liệu.

3.2. Kết quả tính toán thiết kế
Dựa trên sơ đồ nguyên lý kết cấu của hệ thống
cầu nâng-lật xe như trên hình 1 để tính toán, xác
định được các thông số chính như: diện tích mặt
cắt ngang xy lanh/diện tích piston, thể tích xy
lanh, vận tốc, lưu lượng của xy lanh,… như trong
bảng 1, kết quả này làm cơ sở để tính toán động
lực học cho cầu nâng.

Bảng 1. Thông số xy lanh thủy lực
Ak



V0

A

E

Vp

p

10000
mm2

10-3
mm2/N

105
mm3

0,62
mm/s

0,992
mm/s

103
mm3

9
v/p

Kết quả tính toán một số thông số kết cấu cơ bản của hệ thống cầu nâng lật xe được trình bày tóm lược
như trong bảng 2 dưới đây.
Bảng 2. Kết quả tính toán các thông số kết cấu cơ bản của hệ thống cầu nâng lật xe
TT

Tên gọi các thông số cơ bản

Kí hiệu

Đơn vị

Giá trị

G

Tấn

60

Fpush

Tấn

31

Phụ ghi

1

Tải trọng nâng

2

Lực đẩy của 1 xy lanh

3

Thể tích dầu cho hành trình 1 xy lanh

Vk

lít

23,079

4

Đường kính xy lanh

D

mm

140

2 cái

5

Hành trình xy lanh

Lxl

mm

1.500

2 cái

6

Áp suất làm việc của xy lanh

pk

kg/cm2

200

7

Chiều cao cầu nâng lật xe

H

mm

2.200

8

Chiều rộng của cầu nâng lật xe

B

mm

3.000

9

Chiều dài cầu nâng lật xe

L

mm

9.000

3.3. Kết quả thiết kế
Cơ sở khoa học để thiết kế cầu nâng dựa trên các kết quả tính toán. Từ đó thiết kế bản vẽ chung, các bản
vẽ cụm chi tiết, chi tiết chính cho cầu nâng được như trên hình 2 - hình 6.

154

KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (10/2019) - HỘI NGHỊ KHCN LẦN THỨ XII - CLB CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC


Hình 2. Kết quả xây dựng bản vẽ tổng thể thiết kế
hệ thống cầu nâng-lật xe chở sắn củ có điều khiển
truyền động thủy lực (Nguyễn Đình Tùng,
Nguyễn Văn Tiến và cs, 2018)

a)
b)
Hình 3. Bản vẽ thiết kế tổng thể kết cấu sàn
nâng xe a) sàn trên; b) sàn dưới
(Nguyễn Đình Tùng, Nguyễn Văn Tiến và cs, 2018)

Hình 4. Bản vẽ thiết kế chi tiết chốt và bạc quay

Hình 5. Bản vẽ thiết kế thanh liên kết
Với nguyên lý kết cấu của hệ thống và các bản vẽ
thiết kế như trên ta thấy, các chi tiết độc lập được gia
công bằng phương pháp cắt gọt (tiện, phay), cắt

plasma, cắt dây,…Đối với các chi tiết thuộc khung
sàn nâng, sàn đỡ trước tiên được gia công theo
phương pháp cắt bằng plasma, cắt dây, sau đó được
liên kết với nhau bằng phương pháp hàn, và liên kết
bulong để tạo thành thành sản phẩm hoàn chỉnh (Ng.
Đình Tùng, và cs, 2018).
3.4. Kết quả phân tích kết cấu cầu nâng trên
mô hình số
Mục đích việc phân tích kết cấu của hệ thống cầu
nâng lật xe nhằm tiên đoán và loại trừ các hư hỏng
có thể xảy ra về kết cấu không hợp lý trước khi tiến
hành gia công chế tạo hệ thống. Nhờ vậy ta có thể
hạn chế/khắc phục hiện tượng hư hỏng trong quá
trình khi làm việc thực tế sau này. Mô hình 3D đã
được xây dựng trên phần mềm Inventor với các kích
thước thực đúng như mô hình chế tạo “thật” trong
thực tiễn, sau đó được phân tích dựa trên phần mềm

Hình 6. Bản vẽ thiết kế cơ cấu quay
Inventor cho ta các kết quả như dưới đây (Nguyễn
Đình Tùng, 2018).

Hình 7. Mô hình nguyên lý kết cấu và sơ đồ động
học của hệ thống cầu nâng - lật xe chở sắn (Nguyễn
Đình Tùng; Nguyễn Văn Tân, 2018)
Lựa chọn vật liệu chế tạo hệ thống cầu nâng cho
mô hình này là thép CT38 có các tính chất cơ tính (mô
đuyn đàn hồi, hệ số Poisson, khối lượng riêng và giới
hạn bền mỏi) như trong bảng 3, các thông số này làm
cơ sở phân tích đánh giá độ bền mỏi, độ biến dạng, ứng

suất trong kết cấu từng chi tiết của hệ thống.

KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (10/2019) - HỘI NGHỊ KHCN LẦN THỨ XII - CLB CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC

155


Bảng 3. Một số đặc tính cơ tính của thép CT38 (Hà Văn Vui và cs, 2006)
Thông số

Ký hiệu

Giá trị

Thứ nguyên

Mô đun đàn hồi

E

210000

MPa

Hệ số Poisson
Khối lượng riêng
Giới hạn bền mỏi

v
ρ

Sγ

0,3
7850
380-490

kg/m3
Mpa

Với sự thiết lập chia lưới cho các mô hình nghiên
cứu, đây là bước hết sức quan trọng trong công cụ
toán học phần tử hữu hạn. Có rất nhiều phương pháp
chia lưới mịn được gọi là làm mịn thích ứng cao để
tăng số phần tử lên tới mức yêu cầu tối thiểu. Sự rời
rạc hóa phụ thuộc vào hình dáng kết cấu các chi tiết,
tải trọng và các điều kiện biên. Kết quả phân tích

trong nghiên cứu này mong muốn đạt được kết quả
tin cậy và chính xác nhất cho nên cần thiết lập chế
độ chia lưới “dày đặc”. Mô phỏng cho hệ thống cầu
nâng lật ở các chế độ làm việc với các góc nâng
khác nhau, ứng với trạng thái khảo sát làm việc khi
góc nâng 300, 400, và 450.

Hình 8. Tổng chuyển vị, biến dạng đàn hồi tương đối và ứng suất của hệ thống cầu nâng lật xe
chở sắn ở trạng thái làm việc khi góc nâng 300 (Nguyễn Đình Tùng và cs, 2018)
Trên hình 8 là kết quả khảo sát ứng với chế độ
làm việc với góc nâng 300 cho ta giá trị cực đại của
tổng chuyển vị kết cấu cầu nâng chỉ là 2,8008e-3m
xuất hiện tại vị trí phía trước của cầu nâng. Trong

khi đó giá trị biến dạng đàn hồi cực đại đạt 1,0655e3 m/m, giá trị cực tiểu đạt 1,559e-8m/m, và giá trị
ứng suất cực đại đạt 1,3289e8 Pa (Ng. Đình Tùng và
cs, 2018).

Tiếp theo trên hình 9 trình bày kết quả khi
khảo sát ở chế độ làm việc của hệ thống cầu nânglật xe với góc nâng 400, khi đó cho ta giá trị cực
đại tổng chuyển vị là 3,4714e-3m. Trong khi giá
trị biến dạng đàn hồi cực đại đạt 1,1133e-3 m/m,
giá trị cực tiểu đạt 3,039e-8m/m, và giá trị ứng
suất cực đại đạt 1,3849e8 Pa (Nguyễn Đình Tùng
và cs, 2018).

Hình 9. Tổng chuyển vị, biến dạng đàn hồi tương đối và ứng suất của hệ thống cầu nâng lật xe chở sắn
ở trạng thái làm việc khi góc nâng 400 (Nguyễn Đình Tùng và cs, 2018)

156

KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (10/2019) - HỘI NGHỊ KHCN LẦN THỨ XII - CLB CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC


Tương tự ở hình 10 kết quả khảo sát khi sàn nâng
ở vị trí làm việc 450 giá trị cực đại tổng chuyển vị
của kết cấu cầu nâng là 4,9027e-3m, giá trị biến

dạng đàn hồi cực đại đạt 1,86519e-3 m/m, và giá trị
ứng suất cực đại đạt 2,3262e8 Pa (Nguyễn Đình
Tùng và cs, 2018).

Hình 10. Tổng chuyển vị, biến dạng đàn hồi tương đối và ứng suất của hệ thống cầu nâng lật xe
chở sắn ở trạng thái làm việc khi góc nâng 450 (Nguyễn Đình Tùng và cs, 2018)

4. KẾT LUẬN
Trên cơ sở nghiên cứu này đã đưa ra được nguyên
lý kết cấu hệ thống cầu nâng-lật xe chở sắn củ có điều
khiển, truyền động thủy lực với tải trọng nâng 60-80 tấn
ứng dụng trong nhà máy chế biến sắn quy mô công
nghiệp năng suất 450-500 tấn củ/ngày.
Kết quả tính toán trên mô hình số cho thấy toàn
hệ thống ở các trạng thái làm việc, giá trị ứng suất
cực đại đều thỏa mãn, tất cả các giá trị đều nhỏ hơn
giới hạn biến dạng đàn hồi của thép CT38 là 380490MPa. Ứng suất cao nhất đạt giá trị 2,3262e8 Pa
khi làm việc tại trạng thái góc nâng của sàn nâng là
450, tuy nhiên với giá trị này vẫn nằm trong giới hạn
an toàn bền. Chuyển vị lớn nhất xuất hiện với giá trị
là 4,9027e-3m cũng tại trạng thái làm việc với góc

nâng của sàn nâng là 450, giá trị này nhỏ và chấp
nhận được. Nhìn chung giá trị ứng suất cực đại đều
thỏa mãn và nằm trong giới hạn an toàn bền.
Kết quả tính toán trong bài báo đối với hệ
thống được thiết kế trong điều kiện làm việc khó
khăn nhất (ứng với góc nâng 450) nhưng luôn phải
đảm bảo an toàn trong quá trình hoạt động để xe
tải không bị lật dọc khi trút đổ sắn nguyên liệu mà
vẫn thỏa mãn điều kiện chảy tụt của vật liệu sắn
củ. Tuy nhiên trong thực tiễn sản xuất không nên
chọn chế độ góc nâng giới hạn 45 o, mà ở đây chỉ
nên lựa chọn góc nâng làm việc của sàn nâng 40o
sẽ hợp lý hơn về chế độ vận hành khi xét đến tính
“liên động” và tuổi bền đối với các bộ phận khác
trong hệ thống.

TÀI LIỆU THAM KHẢO
Nguyễn Đình Tùng, Nguyễn Văn Tiến và cs (2018), Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống cầu nâng-lật xe
chở sắn củ có điều khiển, truyền động thủy lực phục vụ cho nhà máy chế biến sắn quy mô 450 ÷ 500 tấn
củ/ngày, Báo cáo đề tài cấp Bộ.
Bùi Hải Triều, Nguyễn Đình Tùng (2018), Truyền động và điều khiển thủy lực ứng dụng, Nxb khoa học kỹ thuật.
Hà Văn Vui, Nguyễn Chỉ Sáng, Phan Đăng Phong (2006). Sổ tay thiết kế cơ khí tập 1, Nxb khoa học kỹ thuật.
Nguyễn Đình Tùng (2018), “Nghiên cứu phân tích kết cấu hệ thống cầu nâng lật xe chở sắn củ trên mô hình
số”, Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ Toàn quốc về Cơ khí lần thứ V, ngày 05/10/2018;
Dinh Tung Nguyen, Van Tan Nguyen (2018), “Lifting and discharging the cassava roots system for
hydraulic transmission”, The First Internatioal Conference on Fluid Machinery and Automation Systems
(ICFMAS 2018), on 27th – 28th October 2018 at Hanoi University of Science and Technology, Hanoi,
Vietnam.
Tung Nguyen Dinh (2018), “An investigation of lifting and discharging cassava roots system using hydraulic
transmission”, International Journal of Mechanical Engineering and Technology (IJMET) Volume 9,
Issue 11, November 2018.

KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (10/2019) - HỘI NGHỊ KHCN LẦN THỨ XII - CLB CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC

157


Abstract:
RESEARCH DESIGN OF LIFT-FLIP BRIDGE SYSTEM FOR
CASSAVA ROOTS TRUCK WITH LIGHTNING LOAD 60-80 TONS
This paper presents the research results of designing a lift-flip bridge system for cassava roots for control
and application of hydraulic transmission in industrial scale cassava processing plants with a capacity of
450-500 tons of tubers per day. Design/test results of the structural strength of lifting bridges on digital
models at different elevations at 30°, 40°, and 45° show that i). With a lifting angle of 30° maximum value,
the total displacement of the lifting structure is only 2.8008e-3m, the value of maximum elastic strain

1.0655e-3 m/m and the maximum stress value reaches 1.3289e8 Pa. ii). With an elevation angle of 40°
maximum value, the total displacement is 3.4714e-3m; maximum elastic strain value 1.1133e-3 m/m and
maximum stress value reaches 1.3849e8 Pa. iii). At the working position, 45° maximum values of the total
displacement of the lifting bridge structure are 4.9027e-3m; the maximum elastic strain value 1.86519e-3
m/m; and the maximum stress value is 2.3262e8 Pa. These values are much smaller than the permissible
limit values of materials.
Keywords: Digital models, flip-flops, hydraulic transmission, cassava roots
Ngày nhận bài:

21/5/2019

Ngày chấp nhận đăng: 31/8/2019

158

KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (10/2019) - HỘI NGHỊ KHCN LẦN THỨ XII - CLB CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC